CS 168 | 导论
一、互联网导论
互联网是什么？
互联网不是我们平时打开浏览器看到的花花绿绿的网页，那只是互联网应用的一部分——万维网。电子邮件、我的世界游戏服务器，甚至物联网设备都算互联网的一份子。
互联网是联盟式的、可扩展的
互联网由很多运营商（ISP）在维护，每个运营商独立运作，但每个运营商都必须合作以连接整个世界。因此运营商们必须达成一致的协议，才能让互联网遍布世界的每一个角落。
互联网不是“金字塔层级”，也就是不是只有一个运营商，因此我们互联网需要做的就是把各个运营商链接在一起，每个局域网连接在一起，每个设备连接在一起… 这就是互联网的可扩展性。
庞大体积也给互联网本身带来很多挑战，比如消息可能在传输中途就失效了，再比如中途有一个或者很多个路由器坏了等等，因此互联网需要面对随机和众多的故障。
协议
互联网的重点在于协议。协议就是一种标准，规定了互联网中的数据以什么方式、格式传输，从哪传送到哪，这样才能保证一致性。协议一般是以请求评论（RFC）的方式发布的，由 IETF 负责。
二、互联网层次
第一层：物理层
物理层的作用就是把位信息通过某种方式传输出去。这种方式通常有电线上的电压、无线无线电波、光纤电缆中的光脉冲等，这是电气领域的事情，是计算机网络的最低层次，我们不作深究。
第二层：数据链路层
在互联网中，一条链路连接两台机器，多条链路连接多台机器构成了局域网（local area network，LAN)。
链路层主要是把物理层的位信息分组成数据包（packets）（有时候也叫帧frames），以其作为基本单位。
第三层：网络层
不同局域网的设备想要沟通，就必须搭建局域网之间的桥梁，不同的局域网连接起来就构成了互联网。这个桥梁的两个端点就是交换器（switch） 或者 路由器（router）。
网络层解决了以下问题：
- 交换机或者路由器收到数据包，该往哪里转发？怎么发路径最短？（路由单元的重点）
- 如何保证链路上有足够的容量来传输我们的数据？（拥塞控制单元的重点）
网络层的两个特性是：
- 尽力而为传输：只管传输，不管有没有传输到目的地，尽力就好。
- 数据包抽象：如果传输大量数据，就把它切分成多个小数据包传输。
第四层：传输层
传输层以第三层网络层为基础，实现了一个额外的协议，用于重传丢失的数据包、将数据分割成数据包，以及重新排序乱序到达的数据包（以及其他功能）。
传输层协议使我们能够停止以数据包为单位思考，转而以流的形式思考，即两个端点之间交换的数据包流。
第七层：应用层
应用层使得互联网可以支持不同的应用，例如收邮件，下载视频等等。如果没有第七层，恐怕互联网就只能有一种用途，换句话说应用层使得互联网有更多的应用。
会话层（第五层）原本应该将不同的数据流组装成一个会话（例如，加载各种图像和广告来形成一个网页），而表示层（第六层）原本应该帮助用户可视化数据。如今，这些层的功能主要在第七层中实现，因此直接被跳过了。
三、报头
为什么需要报头
在第三层网络层我们提出了一个问题：数据包应该经过什么路径发送？
这件事关乎交换机或者路由器，我们应该提前告诉他们这个数据包往哪发送。实现方法就是在数据前面加上报头（headers）。而数据在这里我们就叫它载荷（payload）。
每一个网络设备都需要遵循一个报头标准，就像世界通用一个语言——英语，这样数据包的传输才不会乱套。
报头里有什么信息
- 目标地址：告诉路由器和交换器，数据包要往何处发送。
- 源地址：允许数据接收方可以回信。
- 校验和：确保数据包在传输中途没有损坏。
- 其他元数据：例如数据包的长度。
报头疯狂嵌套
信息顺着互联网层次越低，修饰的报头就越多；层次越高，报头就越少。
每一个设备都会处理前三层：物理层、数据链路层和网络层，但只有发信和收信的主机才可以处理后两层：传输层和应用层。经过这样不停的拆包和封装过程，数据最终被传输到目的地址。
第一层、第二层的协议可以采用无线或者有线方式传输，但是必须和上一跳或者下一跳的协议一样；第四层和第七层中，发送主机和目标主机的协议必须完全一样，以保证功能相同。
三、网络架构
设计范式
上一节我们自底向上了解了互联网层次，现在我们自顶向下来认识互联网设计采用的范式。
互联网的范式有很多也很有争议，比如联盟式（独立运营商合作），但在近年来，软件定义网络（SDN）作为一种更集中的网络管理方式出现。
“楚王好细腰”
互联网层次中的一层可以只有一个协议，也可以有很多很多协议。
现代互联网的具体协议如上图所示，形成了一个上下宽中间窄的图像。可以发现在第三层只有 IP 协议，互联网的每一个人都必须使用 IP 协议才能传输数据。
解复用
上面说到，多个协议可能采用同一个路径传递，因此在第四层解包的时候我们要在报头中声明，下一个协议具体是什么协议（TCP/UDP）；而在第七层我们需要声明下一个端口是什么。端口用来区分数据包属于哪个应用程序。
端口分为逻辑端口和物理端口。逻辑端口就是报头里面的 port 字段；物理端口就是交换机上插的网线物理位置。
注意：套接字（socket）指的是操作系统用于将应用程序连接到操作系统中的网络栈的机制。当应用程序打开一个套接字时，该套接字将与一个逻辑端口号相关联。当操作系统接收到一个数据包时，它使用端口号将该数据包定向到相关联的套接字。
端到端原则
端到端原则，说白了就是让互联网的底层专注于数据传输，而高层主要作服务。这个思想为设计互联网提供了智慧和指导，指导着关于网络实现哪些功能、不实现哪些功能的讨论。这里具体不细究。
四、资源共享设计
统计复用
之前在第三层提出了第二个问题：交换机和路由器容量有限，如何在不同互联网用户之间共享这些资源？
答案是：网络资源是统计复用的，这意味着我们会根据用户的需求动态分配资源，而不是将固定份额的资源分配给用户。
统计复用能够工作的前提是：在实践中，总需求的峰值远小于各峰值需求的总和。
统计复用是一种具有权衡的设计选择，我们不会为最坏情况（所有需求同时达到峰值）进行配置。峰值仍可能同时发生，这将导致数据包延迟或丢失。
电路交换 VS 分组交换
我们可以使用统计复用来决定建设多少容量。我们的下一个问题是：我们实际上是如何在用户之间动态分配资源的？
网络共享资源的方式有两种：
- 尽力而为：数据包发出去就不管了。尽力而为的最佳设计称为分组交换：交换机独立地查看每个分组，并将分组转发到离目的地更近的地方。交换机不会考虑流或预留。
- 预留：在流开始时，用户明确请求并预留所需的带宽。数据发送完毕后，资源可以被释放供其他人预留。预留的最佳设计，称为电路交换。两台主机直接搭建好数据传递的通道之后再进行传输。
电路交换和分组交换都体现了统计复用。主要区别在于我们分配资源的粒度：预留按流分配，尽力而为按包分配。 即使在电路交换中，我们也是根据预留动态分配资源。我们不是预先为所有可能存在的流进行预留。
电路交换与分组交换的权衡
为了比较两者，我们作四个维度的比较：
1. 能否提供给应用程序开发者的抽象 ？
电路交换为开发者提供了更有用的抽象，因为可以保证预留的带宽，网络的行为可以预测。对于网络运营商来说，更方便统计流量，方便收费。
2. 资源利用效率如何？
分组交换通常更高效。如果每个发送者在整个时间段内以恒定速率发送数据，那么电路交换和分组交换都能充分利用容量；如果每个发送者的速率随时间变化，那么分组交换能更好地利用带宽。
一个数据流的突发性是由其峰值速率与平均速率的比值定义的。语音通话通常具有较平滑的比值，如 3:1，而网页浏览通常具有较突发的比值，如 100:1。
分组交换更高效的原因之二是：电路交换在建立和拆除电路时需要额外的时间。这对于非常短的数据尤其低效。
3. 处理故障的效果如何？
分组交换在规模上处理故障方面表现更好。如果路由器发生故障，我们可以将数据包沿网络中的其他路径发送。
4. 实现有多复杂？
状态一致性问题导致电路交换非常复杂。所有路由器要保证同时接通，都必须跟踪额外的状态并保持一致。
总之：电路交换通过预留带宽为应用提供更好的性能，同时也为开发者提供更可预测的行为。分组交换能更有效地共享带宽，并避免启动时间，更容易从故障中恢复，更易于实现。
在现实中…
分组交换是默认的资源共享方法，但是在专用网络中电路交换用的比较多。
五、链接
链接的属性
- 带宽（bandwidth）：告诉我们每单位时间内可以在链路上发送多少比特，单位通常用比特每秒（bps）。
- 传播延迟（propagation delay）：一个比特沿链路传输需要多长时间。
- 带宽延迟积（BDP）：带宽和传播延迟的乘积，直观上这是链路的容量。
时序图
假设我们有一条带宽为 1 Mbps = 每秒 100 万比特，传播延迟为 1 ms = 0.001 秒的链路。发送一个 bit 需要 0.000001 秒，时序图如下：
假如发送 800 个 bits，时序图如下：
数据包延迟
数据包延迟是指整个数据包从第一个比特被放到线路上开始，到最后一个比特在另一端被接收为止所需要的时间。这种延迟是传输延迟和传播延迟的总和。
传输延迟告诉我们将比特放到线路上需要多长时间，通常是数据包大小除以链路带宽。
我们权衡带宽和传播延迟主要看数据包延迟。带宽越大，传输延迟越小。
管道图
还有一种管道图也可以表示链路：
重载链接
当同时有两个数据包到达路由器，其中一个数据包会通过路由器处理，另外一个则放在路由器的队列里面，这也会导致延迟。因此，数据包延迟是传输延迟、传播延迟和排队延迟的总和。